PRUEBA Y ANALISIS DE SISTEMAS DE PICO GENERACION ...

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PRUEBA Y ANALISIS DE SISTEMAS DE PICO GENERACION HIDROELECTRICA PORTATIL PARA SU MANUFACTURA EN SERIE

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PRUEBA Y ANALISIS DE DOS SISTEMAS DE PICO GENERACION HIDROELECTRICA PORTATIL PARA SU

MANUFACTURA EN SERIE

CAMILO ANDRES BÁEZ MARTINEZ

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA

BOGOTA D.C.

2012

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PRUEBA Y ANALISIS DE DOS SISTEMAS DE PICO GENERACION HIDROELECTRICA PORTATIL PARA SU

MANUFACTURA EN SERIE

CAMILO ANDRES BÁEZ MARTINEZ

Este documento fue presentado a la Universidad de los Andes para cumplir con los requisitos para optar por el titulo de Ingeniero Mecánico

Asesor:

ÁLVARO ENRIQUE PINILLA SEPÚLVEDA

MSc. Ing. Mec. PhD, Profesor Titular, Universidad de los Andes

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA

BOGOTA D.C.

2012

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RESUMEN

El presente proyecto surge de la necesidad de continuar con una línea de investigación en

la que trabajaron el ingeniero Yerlin Plata [1] y el estudiante Carlos Patiño[2]. La línea

general de dichaidea consiste en el diseño y manufactura de un pico generador

hidroeléctrico que bajo condiciones relativamente bajas de cabeza y caudal provea una

cantidad de energía que pueda ser utilizada con algún propósitoen particular.

El pico generador hidroeléctrico consta de una turbina axial conectada a un generador de

Imanes permanentes. Plata[1] desarrollo un prototipo de este sistema, caracterizado por

tener longitudes diferentes en la altura de los imanes del rotor y el espesor de la bobina. A

partir de la premisa de que dicho generador podía ser mejorado, surgió el objetivo

principal desarrollado por Patiño[2], quiense encargó de diseñar y construir un nuevo

generador que tuviera un menor peso y un menor costo.

Una vez desarrollados ambos conjuntos surge el objetivo del presente estudio,

queconsiste en realizar una prueba detallada de los sistemas, evaluar su rendimiento y las

condiciones bajo las cuales se obtendrá una operación óptima. Por lo tanto en el presente

documento se encuentran una explicación detallada del montaje realizado, el registro

grafico de los resultados, su análisis y una muestra de similitudes, diferencias, ventajas y

desventajas de los conjuntos con los que se cuenta.

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AGRADECIMIENTOS

Mi primer agradecimiento es para Dios, nuestro creador y protector en todo propósito

que emprendemos, gracias a su bendición hoy cumplo una meta.

A la vez deseo dar las gracias a todas las personas que han participado en la elaboración

de este proyecto de investigación y apoyado mi trabajo.

A mi asesor, profesor Álvaro Enrique Pinilla Sepúlveda, quiero expresarle mi más

profunda gratitud por guiarme en este trabajo y ser una persona de tanta integridad y

pericia.

A todo el cuerpo docente de la Universidad de Los Andes quienes con sus enseñanzas y

exigencia me impulsaron para llegar al conocimiento de la ingeniería.

Pero principalmente quiero agradecer el cariño y apoyo que siempre he recibido de mi

querida familia, sobre todo de mi madre; su esmero, fuerza de carácter, comprensión y

energía han sido mi faro. A mi padre a quien considero una de las bendiciones directas

de Dios en mi vida por su ejemplo de responsabilidad, honestidad y amor, siempre

abierto a mis ideas y aspiraciones, de la misma manera a mi hermana, sin cesar presta a

ayudarme y alentarme en los momentos más difíciles. A ellos muchas gracias por creer en

mí.

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CONTENIDO

Resumen……………………………………………………………………………………………………………………………4

Agradecimientos…………………………………………………………………………………………….…………………5

1. Introducción……………………………………………………………………………………………………………….9

1.1 Antecedentes…………………………………………………………………………………….………………10

1.2 Objetivos……………………………………………………………………………………………..…………….12

1.3 Alcance………………………………………………………………………………………………..…………….12

2. Prueba del sistema I………………………………………………………………………………….………………13

2.1 Generador de Patiño………………………………………………………………………….………………13

2.2 Montaje experimental……………………………………………………………………………………….14

2.3 Procedimiento……………………………………………………………………………………………………16

2.4 Resultados obtenidos…………………………………………………………………………………………18

2.5 Conclusiones del sistema I…………………………………………………………………..…………….24

3. Prueba del sistema II………………………………….……………………………….……………………………25

3.1 Generador de Plata……………………………………………………………………………………………25

3.2 Resultados obtenidos…………………………………………………………………………………………26

3.3 Conclusiones del sistema II…………………………………………………..……………………………32

4. Comparación de los sistemas……………………………………………………………………………………33

4.1 Rendimientos y características..………………………………………………………..………………33

4.2 Puntos de mejor operación………………………………………………………………….……………34

5. Graficas de diseño de aplicaciones……………………………………………………..……………………36

5.1 Graficas sistema I………………………………………………………………………………………………36

5.2 Graficas sistema II…………………………………………………………………………………………….39

6. Conclusiones y recomendaciones…………………………………………………………….……………….42

6.1 Conclusiones………………………………………………………………………………………………………42

6.2 Recomendaciones………………………………………………………………………………………………42

7. Bibliografía…………………………………………………………………………………………….…………………44

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LISTA DE IMAGENES

Imagen 1. Turbina diseñada por Plata.…………………………………………………….………………………10

Imagen 2. Generador diseñado por Plata.……………………………………………….………………………10

Imagen 3. Generador diseñado por Patiño………………………………………….………………..…………11

Imagen 4.Hidro-generadores (Plata-Patiño)………………………………………………….………………..11

Imagen 5. Sistema I……………………………………………………………………….………………….…………….13

Imagen 6. Montaje experimental………………………………………….…….…………………………….…….14

Imagen 7. Variables de interés………………………………………………………………………….……….……16

Imagen 8. Sistema II…………………………………………………………………..…………………………………...25

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LISTA DE GRAFICAS

Grafica 1. Condiciones de cabeza y caudal sistema I…………………………………..……………………19 Grafica 2. Numero adimensional de potencia sistema I…………………………….…………………....19 Grafica 3. Numero adimensional de momento par sistema I…………………….…………………….20 Grafica 4.Numero adimensional de caudal sistema I…………………………………….………..……….21 Grafica 5.Momento par sistema I………………………………………………………….……………………..….21 Grafica 6. Potencia eléctrica generada sistema I………………………….……………………..…………..22 Grafica 7.Eficiencia de la turbina sistema I…………………………………………….………..………………23 Grafica 8. Eficiencia del generador sistema I…………………………………………….……………………..23 Grafica 9. Eficiencia del sistema I………………………………………………….…………………………………24 Grafica 10. Condiciones de cabeza y caudal sistema II…………………………………………….………26 Grafica 11. Numero adimensional de potencia sistema II……………………………….…………..…..27 Grafica 12.Numero adimensional de momento par sistema II………………..…….…..……………27 Grafica 13.Numero adimensional de caudal sistema II……………………………..………….………..28 Grafica 14.Momento par sistema II………………………………………………………………….………..……29 Grafica 15.Potencia eléctrica generada sistema II…………………………………………………..………29 Grafica 16.Eficiencia de la turbina sistema II…………………………………………………….…………….30 Grafica 17.Eficiencia del generador sistema II………………………………………….……….…………….31 Grafica 18..Eficiencia del sistema II…………………………………………………………………….…………..31 Grafica 19. Aplicación resistencia 50 Ω (Sistema I)………………………………………………….……….36 Grafica 20. Aplicación resistencia 100 Ω (Sistema I)…………………………………………………………37 Grafica 21. Aplicación resistencia 150 Ω (Sistema I)…………………………………………….…..………37 Grafica 22. Aplicación resistencia 200 Ω (Sistema I)…………………………………………………..…….38 Grafica 23. Aplicación resistencia 250 Ω (Sistema I)…………………………………………………..…….38 Grafica 24. Aplicación resistencia 5 Ω (Sistema II)…………………………………………………..……….39 Grafica 25. Aplicación resistencia 10 Ω (Sistema II)………………………………………………………….40 Grafica 26.Aplicación resistencia 20 Ω (Sistema II)……………………………………………….…………40 Grafica 27. Aplicación resistencia 40 Ω (Sistema II)…………………………………………………….……41 Grafica 28. Aplicación resistencia 60 Ω (Sistema II)…………………………………..……………………..41

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1. INTRODUCCION

Colombia es un país rico en recursos hídricos, es decir, cuenta con una gran cantidad de

ríos a lo largo y ancho del país. Este enorme recurso natural nosrepresenta una fuente

inagotable de energía, constituyéndose en una gran oportunidad para cumplir distintas

clases de propósitos. Sin embargo aun estamos muy lejos de poder aprovechar, en

términos energéticos, esta riqueza que nos provee la naturaleza.

Nuestro país ha hecho inversiones en empresas hidroeléctricas de gran magnitud, sin

embargo no se ha tenido en cuenta el factor ambiental, generándose un daño ecológico

que apenas empieza a calcularse. Esta política ha reducido las oportunidades de

generación de recursos a pequeña escala. Por esta razón este proyecto busca hacer una

propuesta de ingeniería que pueda proyectarse a futuro como una solución para esta

problemática, y que de igual modo pueda producir un cambio de perspectiva que

enriquezca la visión actual del contexto energético colombiano.

Para desarrollar esta línea de investigación se estableció que el proyecto seria dirigido a

la generación de energía a partir de pequeñas corrientes de agua,definidas con

características de caudal entre 8 y 13 litros por segundo y una caída de agua entre 1 y 3

metros, y como estas son características frecuentes en los ríos de nuestro país, puede

ser aprovechado por personas del común para diferentes propósitos particulares,

especialmente la carga de baterías y la iluminación eléctrica entre otras.

A las líneas investigativas abordadas en proyectos anteriores se suma esta entrega, la cual

tiene como objetivo dar un último veredicto de laboratorio del comportamiento de los

elementos diseñados con anterioridad y proveer el rendimiento del sistema completo

bajo condiciones controladas. Se utilizan equipos de medición confiables, se registran los

valores necesarios, se realiza el análisis correspondiente y se obtiene un conjunto de

gráficas que podrán apreciarse en las páginas siguientes.

Para quienes continúen esta investigación quedará la misión de probar el dispositivo bajo

condiciones reales, elaborando el montaje correspondiente en campo, evaluando su

comportamiento y las posibles complicaciones que tenga el diseño y no hayan sido

contempladas ahora, por tratarse hasta el momento únicamente de condiciones de

laboratorio.

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1.1 ANTECEDENTES

Esta investigación conforma una siguiente fase del proyecto de diseño y desarrollo de un

pico generador hidroeléctrico para producción preindustrialen el que la Universidad de los

Andes ha venido trabajando a lo largo de los últimos años con el patrocinio de la industria

militar colombiana (INDUMIL), por lo tanto, para entender los alcances de este proyecto

es necesario tener en cuenta en primera medida el trabajo previo realizado en

aproximaciones anteriores a la solución del problema.

El ingeniero Yerlin Plata [1] contribuyó a la investigación en este tema y como resultado

obtuvo el diseño de una turbina axial de cienmilímetros de diámetro (imagen 1), la cual

fue pensada para operar de forma óptima bajo condiciones de cabeza y caudal de 0.7

metros de agua y 10.7 L/s respectivamente, siendo éstas habituales en un rio. Plata [1]

diseñó además un generador de imanes permanentes (Imagen 2), caracterizado

principalmente porque el espesor del rotor es de la mitad del espesor de la bobina, rasgo

decidido con el fin de disminuir el momento par de arranque del generador.Como

resultado al avance realizado por Plata [1] se obtuvo un conjunto de turbina y generador

que conforma el primer hidro-generador con el que cuenta la universidad en la actualidad.

Imagen 1. Turbina diseñada Imagen 2. Generador diseñado por Plata

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La siguiente aproximación al problema fue realizada por el estudiante Carlos Patiño

[2],basando su proyecto en el diseño de un nuevo generador.Patiño [2] tomó en cuenta

las condiciones de momento par entregado por la turbina y diseñó un generador de

imanes permanentes (imagen 3) en el que el espesor del rotor es igual al espesor de la

bobina.

Imagen 3. Generador diseñado por Patiño

Como resultado del proceso en mención se obtuvieron ensu totalidad dos conjuntos de

hidro-generadores (Imagen 4), éstos fueron probados a la par de los proyectos anteriores,

sin embargo no con la rigurosidad que se deseaba. En esta fase del proyecto se

consiguieron nuevos instrumentos de medición, y además se realizó la prueba de

rendimiento de los equipos y una primera propuesta para facilitar la aplicación prácticalos

hidro-generadores.

Imagen 4. Hidro-generadores (Plata-Patiño)

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1.2 OBJETIVOS

Realizar una evaluación experimental de los hidro-generadores, conformados por la

turbina diseñada por Plata [1] y los generadores de imanes permanentes diseñados tanto

por Plata [1] como por Patiño [2].

Obtener las curvas características que tipifican el comportamiento de la turbina, el

generador y el sistema global, además de otras curvas como la potencia o el momento

par, variables que dan un mejor entendimiento acerca del comportamiento del equipo.

Generar curvas propicias para diseño de aplicaciones, con el fin de obtener diferentes

variables de entrada, de modo que si alguna persona plantea la posibilidad de usar este

equipo para alguna aplicación especifica se puedan estimar los requerimientos en cuanto

a cabeza, caudal, potencia eléctrica generada y resistencia, así como la eficiencia de

conversión de energía desarrollada.

1.3 ALCANCE

En esta propuesta se presenta una primera aproximación a lo que en un futuropuede

convertirse en un nomograma de información que tipifique por completo el

comportamiento de uno de estos hidro-generadores o equipos similares. También se

puede contar con la información suficientemente organizada de manera adecuada para

contribuir en gran medida a incentivar el uso de este tipo de energía en zonas rurales, al

alcance de cualquier persona, sin importar la necesidad que quiera cubrir. Se espera que

por medio de diagramas sencillos, se pueda aconsejar y prever con exactitud, la

combinación de variables mas adecuada para cada tipo de uso.

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2. PRUEBA DEL SISTEMA I

Para evaluar el comportamiento de la turbina, el generador y el sistema, se realizaron una

serie de pruebas que tenían como fin proveer el rendimiento de los equipos diseñados y

desarrollados en fases previas de este mismo proyecto. Se obtuvieron así curvas

características que nos ayudaron a entender que tanto se aproximaron los resultados

obtenidos con los estimados y se lograron establecer los rangos reales de operación

óptima de los equipos. Además de esto, se obtuvo una primera idea de lo que puede

llegar a ser el funcionamiento del sistema bajo condiciones reales de campo.

2.1 GENERADOR DE PATIÑO

Para este caso el estudiante Carlos Patiño [2] diseñó un generador de imanes

permanentes con el objetivo de disminuir su tamaño y así reducir el costo del sistema.

El rotor de este generador esta conformado por imanes de 23mm de alto al igual que el

generador de Plata, sin embargo para este caso el espesor de la bobina también es de 23

mm, por lo tanto además de hacer un rotor equivalente a la bobina, se redujo el tamaño,

reduciendo por lo tanto el peso total del dispositivo.

La configuración del sistema I esta conformada por una copia exacta del rotor de la

turbina diseñada por Plata [1] y el generador de imanes permanentes de rotor y bobina

de 23 mm diseñado por Patiño [2].

Imagen 5. Sistema I

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2.2 MONTAJE EXPERIMENTAL

El procedimiento llevado a cabo, los instrumentos utilizados, la descripción del montaje y los resultados obtenidos se muestran a continuación: La conformación del montaje puede verse en la siguiente imagen:

Imagen 6. Montaje experimental

Los elementos que conforman el montaje son:

1. Turbina: Esta es la turbina diseñada en un proyecto previo a este proyecto por el

estudiante Yerlin Plata [1] bajo los siguientes parámetros teóricos: Caudal: 10.7 L/s

, Cabeza: 0.7m , Diámetro: 0.1m , Velocidad: 1000 rpm.

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2. Torquimetro:Torquimetro OMEGA TQ-501; Instrumento utilizado con el fin de

medir el torque generado por la turbina. Este instrumento entrega una lectura en

milivoltios, la cual posteriormente se convierte en valores de torque con base a los

datos obtenidos en una calibración previa.

3. Generador: El generador fue distinto para distintas etapas del laboratorio, dado

que se utilizó tanto el generador desarrollado por Yerlin Plata [1] como el

generador desarrollado por Felipe Patiño [2].

4. Puente de diodos: A la salida del generador es necesario conectar un puente de

diodos, el cual tiene la función de convertir la corriente alterna entregada por el

generador en corriente directa.

5. Multímetro: Multímetro conectado en serie entre el puente de diodos y la

resistencia variable, con el fin de medir la corriente que pasa por el circuito.

6. Resistencia variable: Este aparato consiste en un reóstato, el cual permite variar la

resistencia eléctrica impuesta al sistema. Permitiendo la evaluación del mismo bajo

diferentes condiciones.

7. Multímetro: Multímetro conectado en paralelo con los extremos de la resistencia,

con el fin de medir el voltaje obtenido.

8. Fuente de voltaje: El objetivo de esta fuente de voltaje es proporcionar la

alimentación necesaria para el correcto funcionamiento del torquimetro.

9. Multímetro: Multímetro conectado al torquimetro. Este es el encargado de

mostrar el cambio de voltaje asociado a la medición de torque.

10. Equipo Gilkes: Equipo al que va acoplada la turbina, consta de un circuito cerrado

conectado de un lado a una bomba y del otro a la turbina de estudio, mediante su

uso es posible recircular agua, variando condiciones de cabeza y caudal mediante

el uso de una válvula.

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2.3 PROCEDIMIENTO

Variables de interés:

Imagen 7. Variables de interés

La imagen 7 muestra las variables de interés del proceso experimental.Se desea obtener el

comportamiento de la eficiencia del sistema, la eficiencia de la turbina y la eficiencia del

generador. Para el propósito de medir estas tres variables es necesario obtener valores de

potencia hidráulica, potencia mecánica y potencia eléctrica, debido a que las eficiencias

están expresadas de la siguiente manera:

Eficiencia turbina

Potencia

hidráulica

Potencia

mecánica

Eficiencia

sistema

Eficiencia generador

Potencia

eléctrica

Caudal

Cabeza

Torque

Velocidad angular

Corriente

Voltaje

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Con el objetivo de obtener valores numéricos para las diferentes potencias, fue necesario

tomar mediciones de distintas variables para cada una. Para la potencia hidráulica se

registraron valores de caudal y cabeza mediante dos manómetros en U, uno de ellos

(Caudal) conectado a un tubo Venturi y el otro (cabeza) conectado a la entrada y salida de

la turbina. Para la potencia mecánica fue necesario tomar mediciones de momento par y

velocidad angular, realizadas mediante el uso de un torquimetroy un tacómetro

respectivamente. Finalmente, para la potencia eléctrica fue necesario registrar la

corriente y el voltaje mediante el uso de dos multímetros.

Las potencias mencionadas anteriormente están expresadas como:

La potencia eléctrica esta expresada de esta manera debido a que se trata de una carga

resistiva. Las variables incluidas en estas ecuaciones son:

Procedimiento:

Una vez realizado el montaje, el procedimiento consiste en realizar múltiples tomas de

datos para múltiples valores de resistencia. Por lo tanto se calibra el reóstato de modo

que tenga la resistencia deseada y posteriormente se varían las condiciones de caudal y

cabeza por medio de la válvula. Para cada una de dichas condiciones se registran las

variables de interés enumeradas anteriormente, obteniendo entre 20 a 30 datos de

operación para cada resistencia. Una vez obtenidos una cantidad suficiente de datos que

abarque razonablemente un buen rango de resistencias, se procede a realizar las graficas

y su análisis, con la intención de poder evidenciar más claramente el comportamiento del

sistema en su totalidad.

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2.4 RESULTADOS OBTENIDOS

Para obtener los resultados mostrados a continuación se utilizaron resistencias de: 11Ω,

20Ω, 50Ω, 100Ω, 150Ω, 200Ω, 250Ω.

Así mismo, para caracterizar la turbina se utilizaron los siguientes números adimensionales:

Potencia:

Momento par:

Caudal:

Velocidad:

donde:

Las variables incluidas en estas ecuaciones que no fueron especificadas en el segmento

anterior son:

Para el caso de esta turbina se tiene que el diámetro del rotor es igual a 100milímetros,

mientras el diámetro del cubo es de la mitad, es decir, 50milímetros.

Las graficas obtenidas se listan a continuación:

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1. Condiciones de Cabeza y Caudal utilizados

Grafica 1. Condiciones de caudal y cabeza sistema I

Los rangos de caudales y cabezas en la grafica 1 no varían considerablemente para cada resistencia, por lo tanto se puede concluir que para este sistema particular son necesarios caudales de 13 a 20 L/s y cabezas entre 0,8 y 3,5 metros.

2. Caracterización de la turbina

Potencia:

Grafica 2. Numero adimensional de potencia sistema I

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La máxima potencia corresponde a una velocidad específica de 3 y una resistencia de 150 Ω (grafica 2), la potencia entregada a bajas velocidades y bajas resistencias es considerablemente baja, aumentando progresivamente hasta encontrar un máximo y disminuyendo posteriormente a la par del comportamiento de la eficiencia.

Momento par

Grafica 3. Numero adimensional de Momento par sistema I

El numero adimensional de momento par en la grafica 3 presenta un punto máximo entre las velocidades específicas de 2 y 3, disminuyendo notablemente su valor posterior a este pico dado que la velocidad angular aumenta a un ritmo mayor del que lo hace la potencia mecánica, de modo que el momento par disminuye.

Caudal

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Grafica 4. Numero adimensional de Caudal sistema I

El coeficiente de caudal de la grafica 4 no presenta variaciones considerables a lo largo de las velocidades de estudio, sin embargo dadas las características de este tipo de turbinas, se esperaría que para altas velocidades, grandes aumentos en el caudal representen cambios pequeños en la velocidad.

3. Rendimiento del Generador

Momento par requerido

Grafica 5. Momento par sistema I

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El momento par (grafica 5) requerido por el generadorpara cada resistencia aumenta linealmente con respecto a la velocidad de operación, y así mismo una resistencia mayor presenta una menor variación (una pendiente menor) en dicho comportamiento.

Potencia eléctrica generada

Grafica 6. Potencia eléctrica generada sistema I

La tendencia registrada en la grafica 6 muestra que el comportamiento para cada resistencia es muy similar, variando únicamente el rango de velocidades en el que opera cada una. Una resistencia mayor necesitara de una mayor velocidad para alcanzar determinado nivel de potencia eléctrica producida.

4. Eficiencias

Eficiencia turbina

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Grafica 7. Eficiencia de la turbina sistema I

Según la grafica 7 la turbina presenta una eficiencia máxima cercana al 65% para una carga resistiva de 150 a 200 Ω. Para bajas cargas resistivas esta eficiencia resulta ser muy baja, por lo tanto resulta ineficiente utilizar la turbina para este propósito.


Grafica 8. Eficiencia del generador sistema I

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Como puede verse en la grafica 8, el generador opera con una buena eficiencia para un gran rango de velocidades, alcanzando valores de eficiencia de hasta un 60%.

Eficiencia del sistema

Grafica 9. Eficiencia del sistema I

En base a la grafica 9 se puede concluir que el sistema global alcanza una eficiencia cercana al 40% para una velocidad específica de alrededor de 3.

2.5CONCLUSIONES DEL SISTEMA I

Del análisis realizado se puede concluir que el sistema operara de la forma más eficiente bajo las siguientes condiciones: Operando bajo estas condiciones el sistema podrá producir una potencia eléctrica entre 90 y 120 Watts.

Carga resistiva: 100-150 Ω Velocidad: 1300-1800 rpm Cabeza: 1.6 – 2 m Caudal: 15 – 17 L/s

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3. PRUEBA DEL SISTEMA II

Para evaluar el comportamiento de la turbina y el generador que conforman el sistema II,

se realizaron las mismas pruebasque para el sistema I. Pruebas que tenían comofin

proveer el rendimiento de los equipos diseñados y desarrollados en fases previas. Se

sacaron las mismas curvas expresadas para el sistema I, con el fin de poder establecer una

comparación directa y sacar conclusiones acerca del rendimiento de ambos conjuntos.

3.1 GENERADOR DE PLATA

El generador constituye una de las partes mas importantes del sistema, debido a que es el

encargado de convertir la energía mecánica rotacional otorgada por la turbina en energía

eléctrica que pueda ser utilizable para distintos propósitos. Para este caso el

ingenieroYerlin Plata [1] diseñó un generador de imanes permanentes síncrono de flujo

radial, de rotor interno y estator externo.

El rotor de este generador esta conformado por imanes de 23mm de alto, lo cual

constituye la mitad del espesor de la bobina, la cual es de 46 mm. Esta configuración se

realizo bajo la premisa de obtener un momento par de arranque menor.

La configuración del sistema I esta conformada por la turbina diseñada por Plata y el

generador de imanes permanentes con rotor y bobina de 23 mm y 46 mm de espesor,

respectivamente.

Imagen 8. Sistema II

26

3.2 RESULTADOS OBTENIDOS

Para obtener los resultados mostrados a continuación se utilizaron un rango de

resistencias muy diferente al rango de resistencias requerido en el sistema anterior. Para

este caso se utilizaron resistencias de: 2Ω,5Ω, 10Ω, 20Ω, 40Ω y60Ω.

Las graficas obtenidas se listan a continuación:

5. Condiciones de Cabeza y Caudal utilizados

Grafica 10. Condiciones de caudal y cabeza sistema II

Al igual que para el sistema I, en la grafica 10 puede verse que los rangos de caudales y cabezas utilizados no varían considerablemente para cada resistencia, por lo tanto se puede concluir que para este sistema particular son necesarios caudales de 12 a 18 L/s y cabezas entre 0,7 y3,2 metros.

6. Caracterización de la turbina

Potencia:

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Grafica11. Numero adimensional de potencia sistema II

A pesar de la gran diversidad de los datos obtenidos, en la grafica 11 se puede prever que la máxima potencia corresponde a una velocidad específica de 3 y una resistencia de 10 Ω, siendo muy similar en el aspecto de la velocidad con respecto al sistema anterior, pero con una gran diferencia en cuanto a la resistencia.

Momento par

Grafica12. Numero adimensional de Momento par sistema II

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Elnumero adimensional de momento par en la grafica 12 presenta un punto máximo entre las velocidades específicas de 2 y 3, disminuyendo notablemente su valor posterior a este pico por las mismas razones expresadas en el sistema anterior.

Caudal

Grafica13. Numero adimensional de Caudal sistema II

Según la grafica13, al igual que en el sistema anterior el coeficiente de caudal no presenta variaciones considerables a lo largo de las velocidades de estudio, manteniéndose en ambos casos en un valor alrededor de 0.4.

7. Rendimiento del Generador

Momento par requerido

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Grafica 14. Momento par generado sistema II

El momento par requerido por el generador ilustrado en la grafica 14 aumenta linealmente para cada resistencia con respecto a la velocidad de operación, alcanzando un máximo de 1.4 N-m para la resistencia de 10 Ω.

Potencia eléctrica generada

Grafica15. Potencia eléctrica generada sistema II

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Tal como en el sistema anterior, como puede verse en la grafica 15,una resistencia mayor necesitara de una mayor velocidad para alcanzar determinado nivel de potencia eléctrica producida, sin embargo para este caso apenas se alcanza una potencia eléctrica máxima de 100W para la resistencia de 10 Ω.

8. Eficiencias

Eficiencia turbina

Grafica16. Eficiencia de la turbina sistema II

La turbina presenta una eficiencia máxima (grafica 16) cercana al 60% para una carga resistiva de 10Ω. En el caso anterior el sistema se comportaba de la mejor manera para cargas resistivas altas, para este caso como puede verse en la grafica 16 el mejor comportamiento se da para cargas resistivas bajas.


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Grafica 17. Eficiencia del generador sistema II

Ambos generadoresoperan con una buena eficiencia para un gran rango de velocidades, sin embargo para este caso, como se evidencia en la grafica 17, la eficiencia máxima alcanzada es apenas de un 35%.

Eficiencia del sistema

Grafica18. Eficiencia del sistema II

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El rendimiento del sistema global ilustrado en la grafica 18 alcanza una eficiencia cercana al 20% para una velocidad específica de alrededor de 3.

3.3CONCLUSIONES DEL SISTEMA II

Del análisis realizado se puede concluir que el sistema operara de la forma más eficiente bajo las siguientes condiciones: Operando bajo estas condiciones el sistema podrá producir una potencia eléctrica entre 60 y 80 Watts.

Carga resistiva: 10-15 Ω Velocidad: 1500-1900 rpm Cabeza: 1.8 – 2.5 m Caudal: 16 – 18 L/s

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4. COMPARACION DE LOS SISTEMAS

De los resultados obtenidos es posible realizar una comparación directa entre las características principales de los dos sistemas. Los puntos mas importantes del resultado de este contraste entre uno y otro se muestran a continuación:

4.1RENDIMIENTOS Y CARACTERISTICAS

Números adimensionales de la turbina

Se esperaba que el comportamiento general de la turbina fuera muy similar para ambos casos, dado que las dos turbinas partieron del mismo concepto de diseño. Esta hipótesis fue confirmada por los resultados presentes en las diferentes graficas, en los cuales se muestran comportamientos bastante similares.

o En el número adimensional de potencia se alcanzó un máximo de alrededor

de 0.25 a una velocidad especifica de 3 en ambos casos. (graficas 2-11) o En el número adimensional de momento par se alcanzó un máximo de

alrededor de 0.23 para una velocidad especifica entre 2.5 y 3 en ambos casos. (graficas 3-12)

o En el numero adimensional de caudal se mantuvo casi constante alrededor de un valor de 0.4 para un amplio rango de velocidades especificas (graficas 4-13)

o En cuanto a la eficiencia de conversión de energía, el valor también es muy similar, cercanoa 62 % para una velocidad específicade 3. (graficas 7-16)

Generador

El generador por su parte si presenta grandes diferencias entre los resultados, debido a las diferencias entre el diseño de uno y otro caso.

o El generador diseñado por Plata [1] alcanza una eficiencia máxima de apenas un 35%, contra la eficiencia del generador diseñado por Patiño [2], el cual cuenta con una eficiencia máxima de alrededor de 60%

.

Sistema

Los sistemas también presentan una diferencia radical en cuanto a eficiencia global, debido principalmente a la diferencia expuesta anteriormente en los generadores.

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o El sistema conformado por el generador de Patiño [2] alcanza una eficiencia de hasta un 40%, contra el sistema conformado por el generador de Plata [1], el cual apenas alcanza una eficiencia cercana al 20%.

Características adicionales

Además de las características propias de rendimiento de los equipos, se obtuvieron datos de otras variables de interés, a las cuales se hace referencia a continuación:

o Existe una diferencia considerable en el rango de resistencias para las cuales opera cada sistema. El sistema I opera mejor para altas resistencias, obteniendo valores aceptables entre 50 y 250 Ω. Por el contrario, el sistema II obtiene un mejor rendimiento a bajas resistencias, obteniendo valores aceptables entre 5 y 40 Ω. Cualquier valor de resistencia que se salga de estos rangos no es viable para ninguno de los casos.

o Existe un rango muy similar de puntos de operación en términos de cabeza y caudal, para los cuales pueden operar ambos sistemas.

o El momento par requerido por los dos sistemas es muy similar, con la consideración de que se da bajo condiciones diferentes de resistencia.

4.2PUNTOS DE MEJOR OPERACIÓN

Para poder visualizar mejor las diferencias entre uno y otro caso, se elaboro la tabla que se muestra a continuación para el punto de mejor operación:

SISTEMA II SISTEMA I

Carga resistiva, Ω 10-20 100-150

Velocidad, rpm 1500-1900 1300-1800

Cabeza, m 1,8-2,5 1.6 – 2

Caudal, L/s 16 - 18 15 – 17

Potencia eléctrica generada, W 70 120

Tabla 1. Características del mejor punto de operación

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Aquí se puede ver como las condiciones de velocidad, cabeza y caudal no varían considerablemente entre uno u otro caso, esto es debido a que la turbina utilizada partió de un mismo diseño y estos puntos corresponden con los puntos bajo los cuales la turbina opera de manera más adecuada, es decir, con la máxima eficiencia de conversión de energía. Por su parte la potencia eléctrica generada y la resistencia en cada caso para este punto si son completamente diferentes.

36

5. GRAFICAS DE DISEÑO DE APLICACIONES

La parte final del proyecto consiste en elaborar una primera aproximación a graficas que permitan y faciliten la implementación del hidro-generador para diferentes tipos de uso,de modo que se conjuguen todas las variables que influyen en el sistema y en la aplicación para la que se desee usar. Mediante la utilización de estas graficas es posible partir de las condiciones con las que se cuenta, tales como el caudal, y obtener un dato de la cabeza necesaria, la potencia eléctrica que va a generar y la eficiencia del equipo para determinada resistencia. De igual modo es posible obtener información en base a la potencia eléctrica que se necesite generar, en cuyo caso se leen valores para el caudal que se necesita y las demás variables involucradas.

5.1GRAFICAS SISTEMA I

Para este caso se omitieron las gráficas de las resistencias de 11 y 20 Ω, dado que para ellas el sistema opera con una eficiencia menor al 7%, por lo que sencillamente no se considera que sea viable su aplicación.

Resistencia 50Ω

Rango de caudales para los que opera: 15 – 17.6 L/s

Grafica 19. Aplicación resistencia 50Ω sistema I

37

Resistencia 100 Ω

Rango de caudales para los que opera: 15 – 17.5 L/s


Resistencia 150 Ω

Rango de caudales para los que opera: 15.7 – 18.3 L/s


38

Resistencia 200 Ω



Resistencia 250 Ω



39

5.1GRAFICAS SISTEMA II

Para este caso se omitió la gráficas de la resistencias de 2 Ω, dado que para ella el sistema opera con una eficiencia menor al 7%, por lo que sencillamente no se considera que sea viable su aplicación.

Resistencia 5 Ω


Grafica 24. Aplicación resistencia 5Ω sistema II

40

Resistencia 10Ω



Resistencia 20 Ω

Rango de caudales para los que opera: 13.3 – 17L/s


41

Resistencia 40 Ω



Resistencia 60 Ω



42

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

6.1CONCLUSIONES

Gracias al trabajo de investigación realizado en este proyecto se reconoce que esta

fase de la propuesta ha sido un paso muy importante para lograr el

aprovechamiento de la energía que nos ofrecen las pequeñas caídas de agua en

algunos ríos de Colombia, transformándose ésta en energía eléctrica para

diferentes usos, a través de la generación hidroeléctrica mediante equipos

portátiles

Se concluye además que el desarrollo del conjunto turbina axial – generador de

imanes permanentes, permite aprovechar la energía hídrica, debido a su

transformación en energía eléctrica y que su uso en las zonas rurales y los campos

mejoraría de manera extraordinaria la calidad de vida de las personas que viven en

zonas apartadas, sin acceso a las redeseléctricas.

Como resultado de la comparación entre los sistemas desarrollados se establece

que el sistema creado por el estudiante Felipe Patiño (altura en los imanes igual al

espesor de la bobina) resulta mas eficiente que el sistema ideado por el ingeniero

Yerlin Plata (altura de los imanes igual a la mitad del espesor de la bobina)

A través del desarrollo de esta fase del proyecto se obtuvieron curvas

características que tipifican el comportamiento del hidro-generador así como

curvas de potencia y de momento par.

Las curvas obtenidas (gráficos 19-28), permiten analizar el comportamiento de las

diferentes variables de entrada: cabeza hidrostática, caudal, potencia eléctrica

generada, resistencia y la eficiencia de conversión en la energía desarrollada,

conociendo solo una de ellas.

6.2RECOMENDACIONES

Aprovechar de la mejor manera posible las gráficas obtenidas en el desarrollo de

esta fase del proyecto y su caracterización en el comportamiento del sistema en

los distintos tipos de diseño.

43

Hacer uso del Hidro-generador para llevar a cabo una serie de tareas que

permitan ajustar las curvas obtenidas y desarrollar unas nuevas de acuerdo con

los diferentes procesos que se desarrollen.

Como una siguiente fase del proyecto será el desarrollo de un prototipo piloto a

mayor escala que pueda probarse en campo, de manera que permita la medición

de los parámetros y el ajuste de variables de forma más real, incentivar su

desarrollo en búsqueda de aplicaciones que mejoren la calidad de vida de quienes

lo reciban.

Es muy recomendable dar a conocer este tipo de proyectos a las comunidades

científicas para que con la ayuda de estas entidades se comercialicen sus

beneficios en pro de una población que busca soluciones para sus necesidades

energéticas, reduciendo costos, gracias al aprovechamiento de los recursos

hídricos del país.

44

7. BIBLIOGRAFIA

[1]Plata Uribe, Y. A. (2012). Diseño y desarrollo de un pico-generados hidroeléctrico para

producción preindustrial. Bogotá D.C: Proyecto de grado. Departamento de Ingeniería

Mecánica, Universidad de Los Andes.

[2]Patiño Vanegas, C. F. (2012). Optimización y prueba del diseño de un pico-generador

hidroeléctrico portátil para su manufactura en serie.Bogotá D.C: Proyecto de grado.

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Los Andes.

[3]MARTÍNEZ, G. E. (2005)Evaluación de diseño de turbinas axiales. Proyecto de grado.

Departamento de Ingeniaría Mecánica, Universidad de los Andes, Bogotá D.C., Colombia.

[4]Muñoz Barrios, S. A. (2010). Medición de rendimiento de una turbina axial pequeña

para su implementación en un pico generador hidroeléctrico. Bogotá D.C: Proyecto de

grado. Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Los Andes.

[5]Fonseca Ramos, C. (2006). Optimización del diseño de una turbina de flujo axial a partir

de la caracterización del alternador Bosch. Bogotá D.C: Proyecto de grado. Departamento

de Ingeniería Mecánica, Universidad de Los Andes.

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